Мезомерия в окрашенных соединениях
Окрашенные органические соединения состоят из молекул, в которых имеется сопряжение между кратными связями и, как правило, на одном конце сопряженной $\pi $-системы, состоящей из $C=C$ и $C=N$-связей, находится заместитель с положительным мезомерным эффектом, а на другом - с отрицательным мезомерным эффектом.
Теория цветности окрашенных соединений
Видимой части спектра соответствует диапазон длин волн электромагнитного излучения от $400$ до $800$ нм. Когда на сетчатку глаза попадают одновременно (и с одинаковой интенсивностью) лучи всех длин волн видимой области, это воспринимается глазом как белый свет. Если регистрируется лишь часть этого излучения, то лучи определенной длины волны кажутся окрашенными в соответствующий цвет. Если на сетчатку глаза вообще не попадают лучи из видимой части спектра, то это воспринимается как полная темнота.
Когда на краситель (или пигмент) падает белый свет, часть излучения с определенной длиной волны поглощается молекулами красителя, а оставшаяся часть (уже с другой длиной волны) отражается. Эту отраженную часть спектра глаз и воспринимает как цвет того или иного предмета. Например, если краситель поглощает желтую компоненту видимого света (длина волны $580$ нм), то этот предмет будет восприниматься в так называемом дополнительном к поглощенному цвете, т.е. в данном случае рассматриваемый предмет будет синего цвета (табл. 1).
Рисунок 1. Длина волны, цвет поглощаемых лучей и дополнительные цвета
Краситель отличается от пигмента тем, что краситель растворим и окрашивание происходит из раствора, а пигмент нерастворим и для окрашивания используется в виде суспензии.
Поглощая квант света определенной энергии, молекулы красителя переходят в возбужденное состояние (рис. 2):
Рисунок 2. Образование цветного центра в молекуле красителя метилового красного
Чем больше склонность молекулы к мезомерии, т. е. чем большую длину имеет сопряженная система, тем меньше энергетическая разница между основным и возбужденным состояниями. Для возбуждения такой молекулы требуется меньшее количество энергии, т.е. она будет возбуждаться светом с большой длиной волны (и, соответственно, малой частотой).
Зависимость цвета красителя от длины сопряженной системы можно проследить на примере сходных по строению альдегидов (А), (Б) и (В) (рис. 3), отличающиеся длиной цепи сопряженных двойных связей между диметиланилиновой и карбонильной группами. Как видно из данных, приведенных на рис. 3, чем длиннее сопряженная система, тем выше интенсивность окраски соответствующего соединения.
Рисунок 3. Зависимость цвета красителя от длины сопряженной системы
Соединение (Д) на рис. 3 имеет более длинную сопряженную систему, чем (Г), но окрашено слабее, поскольку дициановинильная группа $-C=C(CN)_2$ является более сильным акцептором $\pi $-электронов, чем карбонильная. По этой же причине соединение (Г) (фиолетовое) окрашено глубже, чем родственное ему соединение (Б), а соединение (Д) (синее) - глубже, чем соответствующее соединение (В).
Окраска возникает даже в отсутствие заместителей, обладающих мезомерным эффектом, при условии наличия достаточно длинной цепочки сопряженных $C=C$-связей (табл. 2).
Рисунок 4. Зависимость окраски ароматических углеводородов от длины сопряженной системы
К чисто углеводородным красителям относятся, например, природные каротины, имеющие желтую или красную окраску. Для того, чтобы у ненасыщенного углеводорода появилась такая неглубокая окраска, как желтая или красная, необходимо, чтобы в сопряжении находилось большое число $C=C$-связей. Так, в $\beta $-каротине, основном красящем веществе моркови, число сопряженных связей достигает 11 (рис. 5).
Рисунок 5. $\beta$- каротин
